Aparte moleculaire snaren trillen in hoge mate harmonisch

Wanneer natuurkundigen iets meer te weten willen komen over de macroscopische eigenschappen van materialen, maken ze eerst een schatting hoe één enkel molecuul zich zou gedragen. Daarna kan dan het 'gemiddelde gedrag' van grote aantallen moleculen worden uitgerekend.

Met name voor polymeren - zeer lange moleculen, opgebouwd uit een meestal beperkt aantal basiseenheden - is deze aanpak heel vruchtbaar gebleken: het leverde de Franse fysicus Pierre Gilles de Gennes een Nobelprijs op.

Tegenwoordig worden steeds meer technieken ontwikkeld waarmee afzonderlijke moleculen direct kunnen worden bestudeerd. Soms blijken dan de vereenvoudigde aannames ten aanzien van hun gedrag wat al te simpel: moleculen zijn soms net individuen. Dat bleek onlangs uit experimenten in de groep van Steven Chu aan de Universiteit van Stanford. Door DNA-moleculen op regelmatige afstanden te voorzien van fluorescerende chemische groepen, slaagde hij erin om deze 23 micrometer lange moleculen met behulp van een gewone optische microscoop in beeld te brengen.

Eerst werden ze met behulp van een optische pincet - een uitvinding van Chu - aan twee uiteinden vastgehouden, waarna de vibraties van deze 'moleculaire snaren' konden worden bestudeerd (Nature, 10 juli). Al sinds de achttiende eeuw was bekend dat de snaren van een muziekinstrument onder vergelijkbare condities eenvoudige, harmonische trillingen gaan uitvoeren. De Gennes had er echter al op gewezen dat de polymere werkelijkheid wel eens heel wat gecompliceerder zou kunnen zijn, waarvoor hij meteen maar een veel ingewikkelder theorie ontwikkelde. Opnieuw bleken de moleculen zich niets aan te trekken van theoretische beschouwingen: moleculaire snaren bleken in hoge mate harmonisch.

In een ander experiment liet Chu soortgelijke DNA-moleculen los in een vloeistofstroming en legde ze op video vast terwijl ze daardoor uit de knoop werden gehaald (Science, 27 juni). Dat leverde een onverwachts grote variatie op: afhankelijk van de uitgangstoestand - met kleurrijke namen als halter of haarspeld - duurde het soms wel drie keer zo lang voordat twee verder identieke moleculen hun maximale lengte hadden bereikt. Alle eenheden waaruit elk molecuul is opgebouwd, zijn immers voortdurend in willekeurige (Brownse) beweging, waardoor er heel ingewikkelde, moeilijk te ontwarren knopen kunnen ontstaan. Het nu voor de eerste keer geobserveerde gedrag in een vloeistofstroming heeft niet alleen een wetenschappelijk, maar ook praktisch belang. Bij de verwerking van vele polymeren tot halffabrikaten of kant-en-klare eindproducten worden deze in de buurt van hun smeltpunt in mallen gespoten of door gaatjes geperst. Meer inzicht in hoe ze zich daarbij gedragen is zeer welkom.

    • Rob van den Berg